KR101890827B1 - Mercury concentration measurement sensor and Mercury concentration measurement method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수은 농도 측정 센서 및 수은 농도 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서는, 친수성부; 상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자; 및 상기 친수성부에 배치된 소수성 패턴부;를 포함하고, 수은 이온을 선택적으로 감지한다. The present invention relates to a mercury concentration measuring sensor and a mercury concentration measuring method. The mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention comprises a hydrophilic part; Metal nanoparticles disposed in the hydrophilic portion; And a hydrophobic pattern portion disposed in the hydrophilic portion, wherein the mercury ion is selectively detected.
Description
본 발명은 수은 농도 측정 센서 및 수은 농도 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a mercury concentration measuring sensor and a mercury concentration measuring method.
현대의 산업 발전과 함께 산업 폐수 및 폐기물 등에 의한 환경오염으로 인류는 다양한 중금속의 중독 위험에 노출되어 있다. 특히, 그 중 수은은 중독되면 신경계에 이상이 생겨 언어장애, 운동 장애 등이 나타나고 심하면 사지가 마비될 수 있는 치명적인 물질이다. 이들 산업상 이용의 감소 노력에도 불구하고 수은 오염은 다양한 자연적 및 인류 발생학적 원인을 통해 여전히 지속되고 있다.With modern industrial development, environmental pollution caused by industrial wastewater and wastes, humanity is exposed to the risk of poisoning of various heavy metals. Especially, mercury poisoning causes abnormalities in the nervous system, resulting in language disorders, movement disorders, and in severe cases, the limb is a deadly substance that can be paralyzed. Despite the reduction efforts of these industrial uses, mercury contamination continues to be caused by a variety of natural and anthropogenic causes.
수은은 대표적인 체내 축적 중금속으로 먹이연쇄과정에 따라 약 천만배의 농도로 축적될 수 있으며, 고 농도의 수은은 간과 신장, 비장에 축적되어 유전자 손상을 유발하고 세포의 유사분열의 장애나 신경계 손상을 일으킨다. 따라서 수은과 관련된 환경오염 방지시스템 구축을 위해서는 무엇보다 정확하고 신속한 현장 측정기술 및 방법이 마련 되어야 한다.Mercury is a typical accumulation of heavy metals in the body and can accumulate at a concentration of 10 million times according to the food chain process. High concentrations of mercury accumulate in the liver, kidneys, and spleen, causing genetic damage, Cause. Therefore, in order to construct an environmental pollution prevention system related to mercury, accurate and rapid on-site measurement techniques and methods should be prepared.
이에, 수은 검출을 위한 다양한 기술이 개발되어 활용되고 있다. 종래 수은 농도 측정을 위한 방법으로는 화학적인 방법으로 분리하는 방법, 침전생성 등의 방법, 산화환원반응을 이용한 전기화학적인 방법, 그리고 형광을 이용하는 방법 등이 이용되어 왔고, 이 중에서 형광을 이용하는 방법이 가장 널리 활용되고 있는데, 형광을 이용하는 방법은 수은이 존재하지 않을 경우 형광을 보이지 않다가 수은 존재 시 형광을 나타내는 턴온(turn-on) 형광센서를 이용한다. 그러나 이러한 형광센서의 경우 수은 이외의 일부 단백질에 반응을 보여 나타나는 백그라운드(back-ground) 형광에 의하여 신호감지 시 오류를 나타낼 수 있으며, 이러한 오차의 원인을 줄이기 위해 여러 단계의 전처리 과정이 요구되는 문제점이 있다.Accordingly, various techniques for detecting mercury have been developed and utilized. As a method for measuring the mercury concentration in the past, a method of separating by a chemical method, a method of forming a precipitate, an electrochemical method using a redox reaction, a method using fluorescence, and the like have been used. Among them, Is the most widely used method of fluorescence using a turn-on fluorescence sensor that does not fluoresce when mercury is absent but fluoresces when mercury is present. However, in the case of such a fluorescence sensor, it is possible to detect errors due to the back-ground fluorescence which appears in response to some proteins other than mercury. In order to reduce the cause of such errors, .
본 발명은 금속 나노입자가 배치된 수은 농도 측정센서를 제조할 수 있고, 수은 농도를 정량적으로 측정하고, 선택적으로 감지가 가능한 수은 농도 측정센서 및 수은 농도 측정방법을 제공함을 목적으로 한다. An object of the present invention is to provide a mercury concentration measuring sensor in which metal nanoparticles are disposed, quantitatively measure mercury concentration, and selectively detect a mercury concentration measuring sensor and a mercury concentration measuring method.
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서는 친수성부; 상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자; 및 상기 친수성부 상에 배치된 소수성 패턴부;를 포함하고, 수은 이온을 선택적으로 감지하는 것을 특징으로 한다. A mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes a hydrophilic part; Metal nanoparticles disposed in the hydrophilic portion; And a hydrophobic pattern portion disposed on the hydrophilic portion, characterized by selectively sensing mercury ions.
또한, 상기 친수성부는 소수성 패턴부에 의해 발색 시약 주입부, 발색 시약 흡수부 및 수은 분석부로 구분될 수 있다. The hydrophilic part may be divided into a coloring reagent injecting part, a coloring reagent absorbing part and a mercury analyzing part by a hydrophobic pattern part.
또한, 상기 금속 나노입자의 직경은 5 내지 40nm일 수 있다. The diameter of the metal nanoparticles may be 5 to 40 nm.
또한, 상기 소수성 패턴부는 왁스 및 포토레지스트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. In addition, the hydrophobic pattern portion may include at least one of wax and photoresist.
또한, 상기 소수성 패턴부는 3D 프린팅 방법 및 포토리소그래피 방법 중 적어도 하나의 방법으로 배치될 수 있다. In addition, the hydrophobic pattern portion may be disposed by at least one of a 3D printing method and a photolithography method.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정 방법은 금속 나노입자가 배치된 수은 분석부에 용액을 적하하는 단계(단계 1); 발색 시약 주입부에 발색 시약을 포함하는 용액을 주입하는 단계(단계 2); 및 상기 수은 분석부의 변색을 통해 수은 농도를 측정하는 단계(단계 3)를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of measuring mercury concentration, comprising the steps of: (1) dropping a solution into a mercury analyzer in which metal nanoparticles are disposed; Injecting a solution containing a coloring reagent into the coloring reagent injecting section (step 2); And measuring mercury concentration through discoloration of the mercury analyzer (step 3).
또한, 상기 발색 시약은 TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB(3,3'-Diaminobenzidine), AEC(3-amino-9-ethylcarbazole), AmplexRed 및 Luminol 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The coloring reagent may include at least one of TMB (3,3 ', 5,5'-Tetramethylbenzidine), DAB (3,3'-Diaminobenzidine), 3-amino-9-ethylcarbazole can do.
또한, 상기 단계 2의 발색 시약을 포함하는 용액은 과산화수소를 포함할 수 있다. In addition, the solution containing the coloring reagent in
또한, 상기 단계 3의 수은 농도 측정은 휴대용 기기를 통해서 측정될 수 있다. The mercury concentration measurement in
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서는 수은 농도를 빠르고, 간편한 방법으로 정량적으로 측정할 수 있고, 수은을 선택적으로 감지할 수 있다. The mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention can measure the mercury concentration quantitatively in a quick and simple manner, and can selectively detect mercury.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서를 도시한 것이다.
도 2는 금 나노입자, 수은, TMB 및 과산화수소의 반응 기재를 도시한 것이다.
도 3a는 다양한 금속, 준금속에 의한 친수성부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 3b는 다양한 금속, 준금속과 수은의 간섭 비율을 도시한 것이다.
도 4a는 금 나노입자 직경에 따른 친수성부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 4b는 금 나노입자 직경에 따른 신호 비율을 도시한 것이다.
도 5는 다양한 용액 조건에서 흡광도를 도시한 것이다.
도 6a는 과산화산소 농도 변화에 따른 친수성부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 6b는 과산화산소 농도 변화에 따른 신호 비율을 도시한 것이다.
도 7a는 pH 변화에 따른 친수성부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 7b는 pH 변화에 따른 신호 비율을 도시한 것이다.
도 8a는 수은 농도 변화에 따른 수은 분석부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 8b는 수은 농도 변화에 따른 수은 분석부의 비색 강도를 도시한 것이다.
도 9a는 적하된 수은 용액 방울 수에 따른 수은 분석부의 변색 현상을 촬영한 것이다.
도 9b는 적하된 수은 용액 방울 수에 따른 수은 분석부의 비색 강도를 도시한 것이다. 1 shows a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the reaction substrate of gold nanoparticles, mercury, TMB and hydrogen peroxide.
3A shows a discoloration phenomenon of a hydrophilic part due to various metals and metalloids.
Figure 3b shows the interference ratio of various metals, metalloids and mercury.
FIG. 4A is a photograph of the discoloration phenomenon of the hydrophilic part according to the diameter of gold nanoparticles.
4B shows the signal ratio according to the diameter of gold nanoparticles.
Figure 5 shows the absorbance at various solution conditions.
6A is a photograph of the discoloration phenomenon of the hydrophilic part according to the change of the concentration of oxygen peroxide.
FIG. 6B shows the signal ratio according to the change in the concentration of oxygen peroxide.
7A is a photograph of discoloration phenomenon of a hydrophilic part according to a change in pH.
FIG. 7B shows the signal ratio according to the pH change.
FIG. 8A is a photograph of the discoloration phenomenon of the mercury analyzer according to a change in mercury concentration. FIG.
FIG. 8B shows the colorimetric intensity of the mercury analyzer according to the mercury concentration change. FIG.
FIG. 9A is a photograph of the discoloration phenomenon of the mercury analyzer according to the drop number of droplets of the mercury drop.
FIG. 9B shows the colorimetric intensity of the mercury analyzer in accordance with the drop number of drop of mercury solution.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Further, the embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity of description, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings. In addition, " including " an element throughout the specification does not exclude other elements unless specifically stated to the contrary.
수은 농도 측정센서Mercury concentration measuring sensor
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서를 도시한 것이다. 1 shows a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서는 친수성부(101); 상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자(도시 되지 않은); 및 상기 친수성부 상에 배치된 소수성 패턴부(102);를 포함하고, 수은 이온을 선택적으로 감지하는 것을 특징으로 한다. The mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention includes a hydrophilic portion 101; Metal nanoparticles (not shown) disposed in the hydrophilic portion; And a hydrophobic pattern portion (102) disposed on the hydrophilic portion, characterized by selectively sensing mercury ions.
상기 친수성부(101)는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서에서 수은이 포함된 또는 포함되지 않은 용액 및 발색 시약이 포함된 용액을 흡수하는 부분으로, 상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자와 수은이 포함된 용액의 수은이 반응하여 합금을 형성하고, 상기 금속 나노입자-수은 합금과 발색시약의 반응에 의해 발색시약의 변색이 발생할 수 있고, 이를 통해 친수성부의 변색을 통해 수은이 포함된 용액의 농도를 측정할 수 있다. The hydrophilic portion 101 is a portion for absorbing a solution containing a mercury-containing or a mercury-free solution and a chromogenic reagent in a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention, and the metal nanoparticles And the mercury in the solution containing mercury reacts to form an alloy. The coloring reagent may be discolored due to the reaction between the metal nanoparticle-mercury alloy and the coloring reagent, and through the discoloration of the hydrophilic part, The concentration of the solution can be measured.
상기 친수성부의 재질 및 물질은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 크로마토그래피(chromatography) 종이 또는 크로마토그래피 박막(Chromatography Thin Layer)을 사용할 수 있다. 크로마토그래피 종이는 비색법에 널리 사용되는 물질로서 상대적으로 저렴한 비용으로 준비가 가능하고, 변색의 정도 또는 비색 강도에 의해 감지하고자 하는 물질의 농도를 육안으로 또는 장치를 통해 정량적으로 측정할 수 있다. The material and substance of the hydrophilic part are not particularly limited, but preferably a chromatography paper or a chromatographic thin layer can be used. Chromatography paper is widely used in colorimetric methods and can be prepared at a relatively low cost. The concentration of the substance to be detected can be measured visually or through a device quantitatively by the degree of discoloration or the colorimetric intensity.
상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자는 친수성부 표면 또는 내부에 배치될 수 있고, 상기 친수성부의 원하는 위치에 금속 나노입자를 선택적으로 배치시킬 수 있다. The metal nanoparticles disposed on the hydrophilic part may be disposed on or in the hydrophilic part, and the metal nanoparticles may be selectively disposed on the desired position of the hydrophilic part.
상기 금속 나노입자는 금, 은, 백금, 팔라듐 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 금을 포함할 수 있다.The metal nanoparticles may include at least one of gold, silver, platinum, palladium, and alloys thereof, and more preferably, it may include gold.
상기 친수성부에 금속 나노입자를 배치시키는 방법은 금속 나노입자가 포함된 콜로이달 용액을 상기 친수성부에 주입하여 건조하는 방식으로 수행될 수 있고, 또는 수은이 포함된 용액에 금속 나노입자를 주입하고, 교반하여 혼합된 용액을 친수성부에 주입할 수 있다. 상기 금속 나노입자를 친수성부에 배치시키는 방법은 특별히 제한되지 않는다. The method of disposing the metal nanoparticles in the hydrophilic part may be performed by injecting a colloidal solution containing the metal nanoparticles into the hydrophilic part and drying the metal nanoparticles, or the metal nanoparticles may be injected into the solution containing mercury , And the mixed solution can be injected into the hydrophilic part with stirring. The method of disposing the metal nanoparticles in the hydrophilic part is not particularly limited.
상기 친수성부에 배치된 금속 나노입자는 수은과 쉽게 금속 나노입자-수은 합금을 형성한다. 도 2에 나타난 바와 같이 금속 나노입자와 결합된 수은은 금속 나노입자의 표면상태를 변경시킬 수 있다. The metal nanoparticles disposed in the hydrophilic portion easily form a metal nanoparticle-mercury alloy with mercury. As shown in FIG. 2, the mercury combined with the metal nanoparticles can change the surface state of the metal nanoparticles.
상기 수은 농도 측정센서는 수은 또는 수은 이온을 선택적으로 감지할 수 있다. The mercury concentration measuring sensor can selectively detect mercury or mercury ions.
도 3a는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 친수성부에 금속 나노입자를 배치시킨 후 Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca, Na 및 Hg가 포함된 용액을 주입하고, TMB 발색 시약을 주입하여 상기 친수성부가 변색된 현상을 도시한 것이다. FIG. 3A is a schematic diagram of a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention, in which metal nanoparticles are placed in a hydrophilic portion and then a solution containing Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca, And the TMB coloring reagent is injected to show the phenomenon that the hydrophilic portion is discolored.
도 3a를 참조하면, Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca, Na가 포함된 각 용액의 금속 농도가 Hg가 포함된 용액의 Hg농도보다 약 100배 가량 높았음에도 불구하고, Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca, Na가 포함된 용액이 주입된 친수성부는 무시할 수 있는 수준의 변색을 나타내었다. 이와 같이, 도 3a에서 오직 수은이 포함된 용액이 주입된 친수성부에서 뚜렷한 변색을 나타낸 것을 알 수 있다.3A, although the metal concentration of each solution containing Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca and Na was about 100 times higher than the Hg concentration of the solution containing Hg And the hydrophilic part injected with the solution containing Cd, As, Pb, Bi, Zn, Sb, Cu, Mn, Ca and Na showed negligible discoloration. Thus, it can be seen that only the mercury-containing solution in FIG. 3A exhibits a distinct discoloration in the injected hydrophilic part.
도 3b는 상기 도 3a의 변색의 비색 강도를 측정하여 하기 수학식 1로 정의되는 간섭 비율(interference ratio)을 측정한 것이다. FIG. 3B is a graph illustrating the interference ratio measured by measuring the colorimetric intensity of the discoloration of FIG. 3A.
<수학식 1>&Quot; (1) "
간섭비율(interference ratio) = IM/IHg Interference ratio = I M / I Hg
IM: 금속, 준금속 100ng에 대한 비색 강도 값I M : color intensity value for 100 ng of metal, metalloid
IHg: 수은 1ng에 대한 비색 강도 값I Hg : colorimetric intensity value for 1 ng of mercury
도 3b를 참조하면, 상기 10종의 금속, 준금속의 비색 응답(colorimetric response)은 상기 수은의 비색 응답과 비교하여 하기 수학식 1로 정의되는 간섭 비율이 약 8% 이하인 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3B, it can be seen that the colorimetric response of the ten kinds of metals and metalloids is less than about 8% as compared with the colorimetric response of mercury, as defined by
상기 금속 나노입자의 직경은 5nm 내지 40nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 20nm 내지 40nm일 수 있다. The diameter of the metal nanoparticles may be 5 nm to 40 nm, and more preferably 20 nm to 40 nm.
상기 금속 나노입자의 직경이 20nm 미만이라면 금속 나노입자의 높은 비표면적에 의한 효과로 수은 이온이 없을 때에도 발색 시약과 반응하여 변색이 관찰되는 문제점이 있을 수 있고, 이로 인해 상기 금속 나노입자의 친수성부에 배치 여부에 의한 친수성부의 변색의 차이가 뚜렷하지 않을 수 있다. 금속 나노입자의 직경이 40nm를 초과한다면, 비표면적 값이 낮아서 비색 강도가 높지 않을 수 있다. 비색 강도는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 감지성능을 나타내는 주요 성능의 지표일 수 있다.If the diameter of the metal nanoparticles is less than 20 nm, there may be a problem that the metal nanoparticles react with the coloring reagent to observe discoloration even in the absence of mercury ions due to the high specific surface area of the metal nanoparticles. The difference in discoloration of the hydrophilic part due to disposition of the hydrophilic part may not be clear. If the diameter of the metal nanoparticles exceeds 40 nm, the specific surface area value may be low and the colorimetric intensity may not be high. The colorimetric intensity may be an indicator of the key performance indicative of the sensing performance of a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4a 친수성부에 배치된 금 나노입자의 직경에 따른 친수성부의 변색 현상을 촬영한 것이다. FIG. 4A shows the discoloration phenomenon of the hydrophilic part according to the diameter of the gold nanoparticles arranged in the hydrophilic part.
도 4a를 참조하면 10nm 이하 직경의 금 나노입자가 배치된 친수성부는 수은이 포함되지 않은 용액에 의해서도 변색이 발생하는 것을 확인할 수 있고, 20nm 이상의 직경의 금 나노입자가 배치된 친수성부는 수은이 포함되지 않은 용액에 의해서는 변색이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4A, it can be seen that the hydrophilic part in which the gold nanoparticles having a diameter of 10 nm or less is arranged is also discolored by the solution containing no mercury, and the hydrophilic part in which the gold nanoparticles having a diameter of 20 nm or more is disposed contains mercury It can be confirmed that discoloration does not occur with a solution which is not soluble.
도 4b 친수성부에 배치된 금 나노입자의 직경에 따른 수은 농도 측정센서의 신호 비율(signal ratio)를 나타낸 것이다 4b shows the signal ratio of the mercury concentration measuring sensor according to the diameter of the gold nanoparticles arranged in the hydrophilic part
상기 신호 비율(Signal Ratio, ΔI)은 하기의 수학식 2을 통해서 정의될 수 있다. The signal ratio (ΔI) can be defined by the following equation (2).
<수학식 2>&Quot; (2) "
ΔI(=I - I0)/I0 I (= I - I 0 ) / I 0
I: 10ppm(10ng) 수은에 대한 친수성부의 비색 강도 값(colorimetric intensity value)I: colorimetric intensity value of hydrophilic part against 10 ppm mercury (10 ng)
I0: 수은이 없을 때 친수성부의 비색 강도 값I 0 : colorimetric value of hydrophilic part when mercury is absent
상기 수학식 2에 표시된 바와 같이 신호 비율(Signal Ratio, ΔI)은 친수성부에 아무런 변화가 없을 때의 비색 강도를 I0로 정의하고, 친수성부에 배치된 금속 나노입자와 수은이 결합된 금속 나노입자-수은 합금과 퍼옥시다제 기질의 발색시약과 반응하여 변색 현상이 있을 때의 비색 강도를 I라고 정의할 때 수학식 2로 표현되는 수치이다. 상기 비색 강도 I는 수은 농도, 금속 나노입자의 직경, pH 등 다양한 환경에서 변화할 수 있다. 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 검출센서와 종래의 수은 농도 검출센서를 동일한 환경에서 상기 신호 비율을 측정하였을 때, 더 높은 수치의 신호 비율의 값을 갖는 수은 농도 검출센서가 뛰어난 수은 농도 검출 능력이 있다고 할 수 있다. Signal ratio (Signal Ratio, ΔI) as shown in Equation (2) is defined in the colorimetric intensity in the absence of any changes in the hydrophilic section as I 0, and the metal nanoparticles and mercury placed in the hydrophilic portion bonded metal nano Is the numerical value expressed by Equation (2) when I is defined as the intensity of the colorimetric color when there is a discoloration phenomenon by reacting with a coloring reagent of a particle-mercury alloy and a peroxidase substrate. The colorimetric intensity I may vary in various environments such as the mercury concentration, the diameter of the metal nanoparticles, and the pH. When the signal ratio is measured in the same environment of the mercury concentration detecting sensor according to the embodiment of the present invention and the conventional mercury concentration detecting sensor, the mercury concentration detecting sensor having the signal ratio value of the higher numerical value has excellent mercury concentration detecting ability .
도 4b에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 친수성부에 배치된 금 나노입자의 직경이 변화함에 따라 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 신호 비율이 달라질 수 있다. 도 4b를 참조하면, 5nm 또는 10nm 직경의 금 나노입자가 배치된 수은 농도 측정센서에 비교하여, 20nm 또는 40nm 직경의 금 나노입자가 배치된 수은 농도 측정센서가 더 높은 신호 비율을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 높은 신호 비율값을 위해서는 수은 분석부의 측정된 I 및 I0의 차이가 커야 한다. As shown in FIG. 4B, as the diameters of the gold nanoparticles disposed in the hydrophilic portion of the mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention are changed, the signal ratio of the mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention may be changed have. Referring to FIG. 4B, it can be seen that a mercury concentration measuring sensor in which gold nanoparticles having a diameter of 20 nm or 40 nm is arranged has a higher signal ratio as compared with a mercury concentration measuring sensor in which gold nanoparticles having a diameter of 5 nm or 10 nm are arranged have. For high signal ratio values, the difference in measured I and I 0 in the mercury analyzer must be large.
친수성부에 배치된 금속 나노입자가 5nm 또는 10nm의 직경을 가질 때, 수은이 포함되지 않은 용액과도 반응에 의해 수은 분석부의 변색이 나타나 I 및 I0의 차이가 크지 않아 결과적으로 수은 농도 측정센서의 수은 농도 검출 성능이 높지 않을 수 있다. When the metal nanoparticles disposed in the hydrophilic part have a diameter of 5 nm or 10 nm, discoloration of the mercury analyzing part occurs due to reaction with the solution not containing mercury, and the difference between I and I 0 is not large. As a result, The mercury concentration detection performance of the mercury lamp may not be high.
상기 소수성 패턴부에 의해 유체 통로, 발색 시약 주입부, 발색 시약 흡수부 및 수은 분석부로 구분될 수 있다. A coloring reagent injecting portion, a coloring reagent absorbing portion and a mercury analyzing portion by the hydrophobic pattern portion.
도 1은 6개의 수은 분석부를 갖는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서를 도시한 것이다. 1 shows a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention having six mercury analyzing units.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서(100)는 친수성부(110) 및 소수성 패턴부(120)를 포함한다. 상기 친수성부(110)는 소수성 패턴부(120)에 의해 유체 통로(114,115,116,117,118,119), 발색 시약 주입부(111), 발색 시약 흡수부(112) 및 수은 분석부(113)로 구분될 수 있다. Referring to FIG. 1, a mercury
상기 유체 통로(114,115,116,117,118,119)는 폭이 좁고, 긴 형상의 유체 통로로서, 모세관 현상에 의해 발색 시약, 수은을 포함하는 용액을 이동시키는 역할을 할 수 있다. The fluid passages 114, 115, 116, 117, 118, and 119 are narrow and elongate fluid passages, and are capable of moving a solution containing a coloring reagent and mercury by capillary phenomenon.
상기 발색 시약 주입부(111)는 발색 시약이 주입되는 곳으로, 상기 발색 시약 주입부를 통해 주입된 발색시약은 금속 나노입자-수은 합금과 반응하여 변색을 일으킬 수 있다. The coloring
상기 발색 시약 흡수부(112)는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 발색 시약 주입부에 주입된 발색 시약이 유체 통로를 통해 모세관 현상으로 수은 분석부를 지나 발색 시약 흡수부까지 발색 시약 유동이 원활하도록 하는 역할을 할 수 있다. The coloring
상기 수은 분석부(113)는 수은이 포함된 용액이 상기 수은 분석부에 주입됐을 때, 수은과 금속 나노입자가 결합하고, 상기 결합된 금속 나노입자-수은 합금이 발색시약과 반응하여 변색이 발생하게 되고, 상기 변색이 수은 분석부의 색상을 변화시킬 수 있다. 상기 수은 분석부의 변색을 통해 수은 분석부에 주입된 용액에서 수은의 존재 유무를 육안으로 확인할 수 있고, 수은의 농도를 정량적으로 분석할 수 있다. When the mercury-containing solution is injected into the mercury analyzing unit, the
상기 소수성 패턴부(120)의 디자인은 특별히 제한되지 않고, (수은을 포함하는 용액 및 발색 시약이 주입되는 면을 상면으로 정의할 때, 수은 농도 측정센서의 상면을 기준으로 하여) 다양한 농도의 수은 농도를 가지는 용액 시편을 독립적으로 측정할 수 있는 수은 분석부가 복수 개 존재할 수 있다. 상기 수은 분석부는 수은이 포함된 용액이 투하 지점으로부터 방사방향으로 확산하고, 유체가 이동하기 때문에 원형 형상인 것이 바람직할 수 있다. The design of the
상기 수은 분석부(113)에서 수은이 포함된 용액의 투하로 변색을 촉진시키기 위해 발색 시약의 주입이 필요하고, 상기 발색 시약이 주입되는 발색 시약 주입부가 상기 복수개의 수은 분석부와 유체 통로로 연통되도록 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수은 분석부와 발색 시약 주입부는 발색 시약을 포함하는 용액이 동일한 유체 확산 및 이동거리를 갖도록 하기 위하여, 복수 개의 수은 분석부의 중심과 발색 시약 주입부의 중심은 각각 같은 거리를 갖도록 배치되는 것이 바람직하다. It is necessary to inject a coloring reagent in order to accelerate the discoloration of the solution containing mercury by the
상기 수은 분석부(113)가 2개 일 때 원형 단면의 수은 분석부는 일직선에 위치할 수 있다. 이때, 발색 시약 주입부는 수은 분석부의 사이에 위치하여 유체 통로로 수은 분석부와 연통될 수 있다. 또는, 수은 분석부는 나란히 일직선으로 근접하게 위치한 수은 분석부의 중간점의 하단에 위치하여 2개의 수은 분석부의 중심과 1개의 발색시약 주입부의 중심은 삼각형을 이룰 수 있다. When the number of the
상기의 발색 시약 주입부(111)에 주입되는 발색 시약의 원활한 유체 유동을 위해서 발색 시약 주입부에 연통된, 유체 통로를 통해 수은 분석부를 관통하고, 발색 시약 흡수를 위한 발색 시약 흡수부가 있을 수 있다. 상기 발색 시약 흡수부의 형상은 특별히 제한되지 않고, 원형의 수은 분석부와 유체 통로의 길이만큼 거리를 둔 원호 모양일 수 있다. There may be a coloring reagent absorbing portion communicating with the coloring reagent injecting portion for passing the coloring reagent injected into the coloring
상기 소수성 패턴부는 포토리소그래피 방법, 왁스 인쇄법 및 기계적 절단 방법 중 적어도 하나의 방법으로 배치될 수 있다. The hydrophobic pattern portion may be disposed by at least one of a photolithography method, a wax printing method, and a mechanical cutting method.
상기 소수성 패턴부를 배치하는 방법 중 포토리소그래피 공정을 이용한 방법은 포토레지스트를 크로마토그래피 종이에 코팅한 후, 포토리소그래피 공정을 이용하여 패터닝할 수 있다. 상기 패터닝된 포토레지스트는 발색 시약 및 수은을 포함한 용액의 유체 흐름을 유도하기 위한 소수성 패턴부로 사용될 수 있다. 왁스 인쇄법은 왁스 잉크를 인쇄한 후, 크로마토그래피 종이의 상부층에 인쇄된 왁스가 바닥까지 흡수되어 코팅이 되도록 열처리하여 소수성 패턴부를 배치할 수 있다. 2차원 기계적 절단 방법은 크로마토그래피 종이를 유로 모양으로 직접 오려서 제작할 수 있다. Among the methods of disposing the hydrophobic pattern portion, a method using a photolithography process can be performed by coating a photoresist on a chromatographic paper and then using a photolithography process. The patterned photoresist may be used as a hydrophobic pattern portion to induce fluid flow of a solution containing a coloring reagent and mercury. In the wax printing method, after the wax ink is printed, the hydrophobic pattern portion may be disposed by heat-treating the wax printed on the upper layer of the chromatography paper so that the wax is absorbed to the bottom and coated. The two-dimensional mechanical cutting method can be produced by directly cutting the chromatographic paper into a channel shape.
상기 소수성 패턴부는 소수성 왁스, 소수성 폴리머 및 소수성 포토레지스트 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. The hydrophobic pattern portion may include at least one of a hydrophobic wax, a hydrophobic polymer, and a hydrophobic photoresist.
수은 농도 측정 방법How to measure mercury concentration
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법은 수은 분석부에 용액을 적하하는 단계(단계 1); 발색 시약 주입부에 발색 시약이 포함된 용액을 주입하는 단계(단계 2); 및 상기 수은 분석부의 변색을 통해 수은 농도를 측정하는 단계(단계 3)를 포함한다. 상기 단계 1 및 단계 2는 진행 순서에 제한되지 않는다. 예를 들면 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법은, 단계 1 및 단계 2의 순서로 진행될 수 있으며, 단계 2 및 단계 1의 순서로 진행될 수 있다.A mercury concentration measuring method according to an embodiment of the present invention includes the steps of (1) dropping a solution into a mercury analyzing section; Injecting a solution containing a coloring reagent into the coloring reagent injecting section (step 2); And measuring mercury concentration through discoloration of the mercury analyzer (step 3). The
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법의 단계 1은 수은 분석부에 용액을 적하하는 단계이다.
상기 수은 분석부에 적하된 용액은 수은을 포함할 수 있고, 포함하지 않을 수 있다. 상기 분석부에 적하된 용액은 수은 이외의 다른 금속, 준금속을 포함할 수 있다.The solution dropped on the mercury analyzing section may or may not contain mercury. The solution dropped on the analysis section may contain a metal other than mercury, a metalloid.
상기 수은 분석부에 적하된 용액에 수은이 포함되어 있으면, 금속 나노입자와 반응하여 금속 나노입자-수은 합금을 형성할 수 있다. 도 1을 참조하면 금속 나노입자를 둘러싸는 방식으로 수은이 금속 나노입자와 결합되어 금속 나노입자의 표면 특성을 변화시키는 것으로 예상할 수 있다. 상기 수은 분석부에 적하된 용액에 수은을 포함하지 않으면 금속 나노입자의 상태 또는 표면 상태는 변경되지 않을 수 있다. If mercury is contained in the solution dropped on the mercury analyzing unit, the metal nanoparticle-mercury alloy can be formed by reacting with the metal nanoparticles. Referring to FIG. 1, it can be expected that mercury binds to metal nanoparticles in a manner surrounding metal nanoparticles to change the surface characteristics of the metal nanoparticles. If mercury is not contained in the solution dropped on the mercury analyzing unit, the state or surface state of the metal nanoparticles may not be changed.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법의 단계 2는 발색 시약 주입부에 발색 시약이 포함된 용액을 주입하는 단계이다.
상기 발색 시약 주입부에 주입된 발색 시약을 포함하는 용액은 모세관 현상 및 유체의 확산에 의해 발색 시약 주입부에서 유체 통로를 통해, 수은 분석부 및 발색 시약 흡수부까지 이동할 수 있다. 발색 시약이 포함된 용액과 상기 단계 1에서 형성된 금속 나노입자-수은 합금의 반응으로 발색 시약의 변색이 발생할 수 있고, 상기의 변색이 수은 분석부의 변색을 야기할 수 있다. 상기의 수은 분석부의 변색은 육안으로 관찰될 수 있다. The solution containing the coloring reagent injected into the coloring reagent injecting unit can move from the coloring reagent injecting unit to the mercury analyzing unit and the coloring reagent absorbing unit through the fluid passage by the capillary phenomenon and the diffusion of the fluid. The reaction of the solution containing the coloring reagent and the metal nanoparticle-mercury alloy formed in the
상기 단계 1에서 금속 나노입자-수은 합금이 형성되지 않으면, 후속으로 주입되는 발색시약에 의한 변색이 없을 수 있고, 수은 분석부의 변색이 없을 수 있다. 이를 통해 상기 단계 1에서 수은 분석부에 적하된 용액에 수은이 존재하지 않는 것을 육안으로 또는 분석장치를 통해 확인할 수 있다. If the metal nanoparticle-mercury alloy is not formed in the
상기 발색 시약이 포함된 용액은 TMB, DAB, AEC, AmplexRed 및 Luminol 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The solution containing the coloring reagent may include at least one of TMB, DAB, AEC, Amplex Red, and Luminol.
상기 단계 2의 발색 시약이 포함된 용액은 과산화수소를 포함할 수 있다. The solution containing the coloring reagent in
상기 TMB, DAB, AEC, AmplexRed 및 Luminol은 퍼옥시다제(peroxidase) 기질의 발색 시약으로 발색 시약의 산화반응에 의해 색 변화를 일으킬 수 있다.The above TMB, DAB, AEC, AmplexRed, and Luminol are peroxidase substrate coloring reagents and can cause color change by oxidation reaction of a coloring reagent.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정 방법에서 금속 나노입자와 수은이 결합된 금속 나노입자-수은 합금은 과산화산소의 분해를 촉진시켜 퍼옥시다제 모사 촉매 활성을 크게 향상시킬 수 있다. 수은 분석부에 주입되는 수은이 포함된 용액은 상기 금속 나노입자-수은 합금에 의해 분해된 과산화산소는 물(H2O)과 산소(O2)로 변화하고, 상기 산소는 퍼옥시다제 기질의 발색 시약을 산화시켜, 수은 분석부를 변색시킬 수 있다. In the mercury concentration measuring method according to another embodiment of the present invention, the metal nanoparticle-mercury alloy in which metal nanoparticles and mercury are combined can accelerate the decomposition of peroxidic oxygen, thereby greatly improving peroxidase-catalytic activity. In the solution containing mercury injected into the mercury analyzing section, the hydrogen peroxide decomposed by the metal nanoparticle-mercury alloy is changed into water (H 2 O) and oxygen (O 2 ), and the oxygen is converted into hydrogen peroxide The chromogenic reagent can be oxidized to discolor the mercury analyzer.
상기 발색시약이 TMB이면 수은 분석부의 파란색의 변색을 확인할 수 있고, 상기 발색시약이 DAB 또는 AmplexRed이면면 수은 분석부의 붉은색의 변색을 확인할 수 있고, 상기 발색시약이 Luminol이라면 수은 분석부의 노란색의 변색을 확인할 수 있다. If the coloring reagent is TMB, the discoloration of the mercury analyzer can be confirmed. If the coloring reagent is DAB or AmplexRed, red discoloration of the surface mercury analyzer can be confirmed. If the coloring reagent is Luminol, can confirm.
도 2는 본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서에서 금 나노입자-수은 합금과 TMB(3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine) 발색시약 반응의 모식도를 나타낸 것이다. TMB는 수소 도너(donor)와 같은 역할을 하여, 금속 나노입자-수은 합금에 TMB 및 과산화산소가 포함된 발색시약 용액을 접촉하면, TMB에 의해 과산화산소와 반응하여 물(H2O)과 산소(O2)를 생성할 수 있다. 상기 산소는 TMB를 산화시켜 변색이 될 수 있다. FIG. 2 is a schematic diagram of a gold nanoparticle-mercury alloy and a TMB (3,3 ', 5,5'-Tetramethylbenzidine) coloring reagent reaction in a mercury concentration measuring sensor according to an embodiment of the present invention. The TMB acts as a hydrogen donor, and when a metal nanoparticle-mercury alloy is contacted with a solution of a coloring reagent containing TMB and oxygen peroxide, it reacts with oxygen peroxide by TMB to form water (H 2 O) and oxygen (O 2 ). The oxygen may be discolored by oxidizing TMB.
도 5는 과산화산소와 TMB가 포함된 용액(a 조건), a 조건에 20nm 금 나노입자를 포함하는 콜로이달 용액을 추가한 용액, b 조건에 100ppm의 수은을 추가한 용액에 대해 UV-VIS 흡광 장치로 흡광도를 측정한 것이다. Fig. 5 is a graph showing the results of a UV-VIS absorption spectrophotometry for a solution containing hydrogen peroxide and TMB (a condition), a solution in which a colloidal solution containing 20 nm gold nanoparticles was added to a condition, The absorbance was measured with a device.
도 5를 참조하면, 과산화산소 0.5%가 용해된 TMB 용액(a 조건)은 측정 파장 전 영역에서 흡광도(absorbance) 변화가 관찰되지 않았다. 상기 용액에 20nm의 금속 나노입자를 포함하는 콜로이달 용액(1.16nM, 20nm)을 투입(b 조건)하여 동일한 방식으로 자외선-가시광선 분광을 실시하였고, 마찬가지로 측정 파장 전 영역에서 흡광도 변화가 관찰되지 않았다. 상기 b 조건에 수은을 투입하여 수은 농도 100ppm으로 농도(c 조건)를 설정하고, 동일한 방법으로 분광법을 실시하였고, 약 600nm 내지 700nm의 범위에서 흡광도 값의 변화를 확인할 수 있었다. 최고의 흡광도 값은 약 625nm에서 관찰되었다. TMB의 산화에 의해 조건c의 용액은 파란색을 띠는 용액으로 변화되었고, 조건 a 및 조건 b의 용액은 색상의 변화가 관찰되지 않았다.Referring to FIG. 5, in the TMB solution (a condition) in which 0.5% of peroxide was dissolved, no change in absorbance was observed in the whole region of the measurement wavelength. Ultraviolet-visible light spectroscopy was carried out in the same manner as in Example 1 except that a colloidal solution (1.16 nM, 20 nm) containing metal nanoparticles of 20 nm was added to the solution (condition b), and a change in absorbance was observed I did. The concentration of mercury was set to 100 ppm by adding mercury to the condition b, and the spectroscopic method was performed by the same method. The change of the absorbance value was confirmed in the range of about 600 nm to 700 nm. The highest absorbance values were observed at about 625 nm. By the oxidation of TMB, the solution of condition c was changed into a blue solution, and no change of color was observed in solution of condition a and condition b.
상기를 통해 TMB와 같은 퍼옥시다제 기질의 발색시약은 과산화산소 또는 금속 나노입자만으로 발색시약의 산화 또는 변색이 발생하지 않고, 금속 나노입자와 수은이 결합되어 금속 나노입자-수은 합금이 형성되어야 발색시약의 변색이 발생하는 것으로 예상할 수 있다. As described above, the peroxidase substrate color developing reagent such as TMB does not cause oxidation or discoloration of the coloring reagent due to only oxygen peroxide or metal nanoparticles, and the metal nanoparticles and mercury are combined with each other to form a metal nanoparticle- It can be expected that discoloration of the reagent occurs.
이를 통해 TMB-H2O2 촉매 반응이 금속 나노입자와 수은 이온(Hg2 +) 모두의 존재 하에서 가속될 수 있음을 보여 주며, 이는 수은 이온의 첨가에 의해 Au-Hg 합금이 형성될 때 금속 나노입자의 나노자임(nanozyme) 활성이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다. This shows that the TMB-H 2 O 2 catalytic reaction can be accelerated in the presence of both metal nanoparticles and mercury ions (Hg 2 + ), It was confirmed that the nanozyme activity of the nanoparticles can be improved.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법의 단계 3은 상기 수은 분석부의 변색을 통해 수은 농도를 측정하는 단계이다.
상기 단계 2에서 발색 시약이 포함된 용액의 주입으로 수은 분석부 또는 친수성부의 변색이 발생하고, 상기 단계 2에 의한 수은 분석부의 변색은 적하된 용액의 수은 농도에 따라서 비색 강도(colorimetric signal)가 달라질 수 있다. The coloring of the mercury analyzing unit or the hydrophilic part occurs due to the injection of the solution containing the coloring reagent in the
상기 단계 3의 수은 농도 측정은 휴대용 기기를 통해서 측정될 수 있다.The mercury concentration measurement in
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 수은 농도 측정방법에서 수은 농도의 정량적인 측정은 휴대용 기기를 통해서 측정될 수 있다. 상기 휴대용 기기는 클라우드 인터넷 또는 컴퓨터와 데이터 송수신이 가능한 카메라 또는 휴대폰 카메라 일 수 있다. 상기 휴대용 기기를 통해 상기 수은 농도 측정센서의 변색을 촬영한 후 상기 촬영의 결과물을 컴퓨터로 송신하여, 이미징 프로그램을 변색 강도 또는 비색 강도를 정량적으로 측정할 수 있다. In a mercury concentration measuring method according to another embodiment of the present invention, a quantitative measurement of mercury concentration can be measured through a portable device. The portable device may be a camera or a mobile phone camera capable of transmitting and receiving data with the cloud Internet or a computer. After the discoloration of the mercury concentration measuring sensor is photographed through the portable device, the result of the photographing is transmitted to a computer, whereby the discoloration intensity or the color intensity of the imaging program can be quantitatively measured.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 수은 또는 수은 이온 선택적 색상-기반 검출센서는 최소 0.2ppm 농도의 수은 또는 수은이온에 대하여 육안으로 검출이 가능하고, 선형 검출능을 가지는 것을 특징으로 한다. According to another embodiment of the present invention, the mercury or mercury ion selective color-based detection sensor is capable of being visually detected with a mercury or mercury ion concentration of at least 0.2 ppm and has a linear detection capability.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
실시 예 1 - 수은 농도 측정 센서 Example 1 - Mercury concentration measuring sensor
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 친수성부로 가로, 세로 각 200mm인 크로마토그래피 종이(GE Healthcare, grade 1 cellulose)를 준비하였다. 상기 크로마토그래피 종이의 두께는 약 0.18mm이며, 선형 유속은 약 130mm/30min이다. 상기 크로마토그래피 종이에 소수성 패턴부를 배치하기 위해 그래픽 소프트웨어(adobe illustrator CS3)로 6개의 수은 측정부 및 발색 시약 흡수부를 포함하도록 디자인하고, 상기 디자인대로 상기 크로마토그래피 종이의 상면(발색 시약 주입부에 발색 시약이 주입되는 면)에 소수성 패턴부를 상업적으로 판매되는 왁스 프린터(Color Cube 8870, Xerox, Norwalk, CT, USA)를 통해 인쇄하였다. 상기 소수성 패턴부를 형성하는 물질은 파라핀 왁스(paraffin wax)가 사용되었다. A chromatographic paper (GE Healthcare,
상기 소수성 패턴부가 인쇄된 후 상기 크로마토그래피 종이는 왁스 패턴부를 녹이고, 상기 왁스 패턴부를 크로마토그래피 하면까지 확산시키기 위해 건조 오븐(dry oven)에서 100℃ 온도에서 1분간 가열되었다. 상기 패턴부가 배치된 크로마토그래피 종이는 가로, 세로 각 6.0cm의 치수로 절단되었다. 상기 크로마토그래피 종이의 후면 상기 크로마토그래피 종이의 후면에 접착성 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름으로 덮었다. After the hydrophobic pattern portion was printed, the chromatography paper melted the wax pattern portion and heated at 100 DEG C for 1 minute in a dry oven to spread the wax pattern portion to the chromatographic surface. The chromatogram paper in which the pattern portion was placed was cut into a dimension of 6.0 cm in length and width. The back of the chromatographic paper was covered with an adhesive PET (Polyethylene Terephthalate) film on the back of the chromatographic paper.
상기의 디자인에 의해 상기 수은 농도 측정센서는 상기 수은 농도 측정센서의 중앙부에 원형의 형상을 가진 발색 시약 주입부를 가진다. 상기 발색 시약 주입부에 연통된 중앙의 발색 시약 주입부 직경의 약 1/10 폭을 가지는 6개의 유체 통로가 60°의 각도마다 바깥쪽으로 뻗어나가도록 배치되었다. 상기 6개의 유체 통로가 바깥쪽으로 연장되는 구간의 중간에 약 1cm의 직경을 가지는 원형의 형상을 가진 수은 분석부가 각각 형성된다. 상기 유체 통로가 상기 수은 분석부를 관통하게 되고, 수은 분석부를 지난 후 호의 모양 또는 부채꼴 모양을 하는 발색 시약 흡수부가 형성된다. According to the above design, the mercury concentration measuring sensor has a coloring reagent injecting portion having a circular shape at the center of the mercury concentration measuring sensor. Six fluid passages having a width of about 1/10 of the diameter of the central color reagent injecting portion communicating with the color reagent injecting portion were arranged so as to extend outward at an angle of 60 °. A mercury analyzer having a circular shape having a diameter of about 1 cm is formed in the middle of a section where the six fluid passages extend outward. The fluid passage penetrates the mercury analyzing section, and a coloring reagent absorbing section having a shape of arc or a fan shape is formed after passing through the mercury analyzing section.
금속 나노입자를 상기 소수성 왁스 패턴부가 배치된 크로마토그래피 종이에 배치하기 위해, 20nm 금 나노입자 콜로이달 용액(0.194nM) 1.5㎕를 소수성 왁스 패턴부에 의해 정의된 6개의 수은 분석부에 상온, 대기 중에서 각각 적하한 후 건조하였다. In order to dispose the metal nanoparticles on the chromatographic paper having the hydrophobic wax pattern portion, 1.5 占 퐇 of 20 nm gold nanoparticle colloidal solution (0.194 nM) was added to 6 mercury analyzing portions defined by the hydrophobic wax pattern portion at room temperature, And then dried.
실시 예 2 - 수은 농도 측정 방법Example 2 - Method for measuring mercury concentration
상기 실시 예 1에 의해 준비된 수은 농도 측정 센서를 이용하여 수은 농도를 측정하였다. The mercury concentration was measured using the mercury concentration measuring sensor prepared in Example 1 above.
단계 1 - 용액 주입Step 1 - Solution injection
수은을 포함하는 또는 포함하지 않는 용액 또는 금속, 준금속을 포함하는 2㎕ 부피의 용액을 수은 분석부에 적하한 후 건조하였다. A solution of 2 부 volume containing a solution containing a metal or a metalloid with or without mercury was added to a mercury analyzer and dried.
단계 2 - 발색 시약 주입Step 2 - Inject the color reagent
3.0%의 과산화산소(H2O2)를 포함하는 100㎕의 TMB 용액을 발색 시약 주입부에 주입하였다. 상기 용액은 유체 통로를 지나 호 모양의 발색 시약 흡수부까지 흡수되었다.100 쨉 l of TMB solution containing 3.0% of peroxide (H 2 O 2 ) was injected into the coloring reagent injection part. The solution was absorbed through the fluid passage to the arcuate reagent absorbing portion.
단계 3 - 수은 농도 측정Step 3 - Measure mercury concentration
상기 단계 2에 의한 수은 분석부의 변색을 통한 수은 농도를 정량화 하기 위해, 발색시약 주입 후 10분의 배양시간 후에 상기 수은 분석부의 변색은 ISO 50에서 셔터 속도가 1/20 인 스마트폰 카메라(LG-G5, 16.0 메가 픽셀)를 통해 촬영되었고, 이를 비색 신호 분석용 프로그램(ImageJ, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)을 통해 비색 강도를 측정하였고, 수은 분석부의 변색을 통한 수은 농도를 정량화하였다. In order to quantify the concentration of mercury through discoloration of the mercury analyzer according to
실험 예 1 - 발색시약에 포함된 과산화산소의 농도 효과Experimental Example 1 - Effect of concentration of oxygen peroxide contained in the coloring reagent
실시 예 1에 의해 준비된 수은 농도 검출센서를 이용하여, 실시 예 2에 의한 수은 농도 측정 방법으로 발색시약 흡수부에 발색시약이 포함된 용액에 포함되어 있는 과산화산소의 농도에 따른 신호 비율효과를 측정하기 위해, 발색시약이 포함된 용액의 과산화산소 농도를 달리하여 수은 분석부를 휴대용 기기로 촬영하고, 신호 비율을 측정하였고, 그 결과를 도 6a 및 6b에 나타내었다. Using the mercury concentration detection sensor prepared in Example 1, the signal ratio effect according to the concentration of oxygen peroxide contained in the solution containing the coloring reagent in the coloring reagent absorbing portion by the mercury concentration measuring method according to Example 2 was measured The mercury analyzer was photographed with a handheld device by varying the concentration of oxygen peroxide in the solution containing the chromogenic reagent, and the signal ratio was measured. The results are shown in FIGS. 6A and 6B.
도 6a를 참조하면, 발색시약이 포함된 용액의 과산화산소 농도를 0.1% 내지 3.0%의 범위에서는 과산화산소의 농도가 증가할수록 변색에 의한 얼룩이 짙어지는 것을 확인할 수 없었고, 발색시약이 포함된 용액의 과산화산소 농도가 3.0% 또는 5.0%에서는 육안으로는 큰 차이를 확인할 수 없었다. Referring to FIG. 6A, when the concentration of oxygen peroxide in the solution containing the coloring reagent was in the range of 0.1% to 3.0%, it was not confirmed that the density of the coloring reagent was increased as the concentration of oxygen peroxide was increased. There was no significant difference in visual acuity at 3.0% or 5.0% of oxygen peroxide concentration.
도 6b를 참조하면, 발색시약이 포함된 용액의 과산화산소 농도를 0.1% 내지 3.0%의 범위에서는 과산화산소의 농도가 증가할수록 신호 비율의 값이 증가한 것을 확인할 수 있다. 발색시약이 포함된 용액의 과산화산소 농도를 0.1% 내지 3.0%의 범위에서는 과산화산소의 농도가 5.0%인 조건에서는 신호 비율의 값이 더 이상 증가하지 않고, 소폭 감소한 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6B, it can be seen that as the concentration of oxygen peroxide in the solution containing the coloring reagent is in the range of 0.1% to 3.0%, the value of the signal ratio increases. In the range of 0.1% to 3.0% oxygen concentration of the solution containing the coloring reagent, the signal ratio value was not increased any more but was slightly decreased under the condition that the concentration of oxygen peroxide was 5.0%.
실험 예 2 - 발색시약에 포함된 과산화산소의 농도 효과EXPERIMENTAL EXAMPLE 2 - Effect of concentration of oxygen peroxide contained in a coloring reagent
실시 예 1에 의해 준비된 수은 농도 검출센서를 이용하여, 실시 예 2에 의한 수은 농도 측정 방법으로 수은이 포함된 용액의 pH를 조절하여 pH에 의한 신호 비율의 효과를 분석하기 위해, 수은 분석부를 휴대용 기기로 촬영하고, 신호 비율을 측정하였고, 그 결과를 도 7a 및 7b에 나타내었다.In order to analyze the effect of the signal ratio by pH by adjusting the pH of the mercury-containing solution by the mercury concentration measuring method according to the second embodiment using the mercury concentration detecting sensor prepared in Example 1, And the signal ratio was measured. The results are shown in FIGS. 7A and 7B.
도 7a를 참조하면 수은이 포함된 용액의 pH가 3.0 내지 6.0의 범위에서는 pH가 상승할수록 변색에 의한 얼룩이 짙어지는 것을 확인할 수 있었고, 7.0 이상의 pH 값에서는 변색에 의한 얼룩이 희미해지는 것을 확인하였다. Referring to FIG. 7A, it can be seen that as the pH of the solution containing mercury is in the range of 3.0 to 6.0, the color becomes more dense due to discoloration as the pH is increased, and the discoloration becomes blurred at the pH value of 7.0 or more.
도 7b를 참조하면 수은이 포함된 용액의 pH가 3.0 내지 6.0의 범위에서는 신호 비율의 수치가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 7.0 이상의 pH 값에서는 신호 비율 수치가 급격히 감소하는 것을 확인하였다. Referring to FIG. 7B, it was confirmed that the signal ratio value gradually increased when the pH of the solution containing mercury was in the range of 3.0 to 6.0, and the signal ratio value was abruptly decreased at the pH value of 7.0 or more.
높은 pH 조건에서는 OH- 이온과의 상호 작용에 의해 수은 산화물 또는 수은 수산화물 종(HgO 또는 Hg(OH)2)에 의해서 Hg-Au 합금의 형성을 방지하는 것으로 생각될 수 있다. It can be thought that at high pH conditions, interaction with OH-ions prevents the formation of Hg-Au alloy by mercury oxide or mercury hydroxide species (HgO or Hg (OH) 2 ).
실험 예 3 - 수은 농도 측정 센서에 Experimental Example 3 - Measurement of Mercury Concentration 적하된Loaded 용액의 수은 농도 효과 Mercury concentration effect of solution
실시 예 1에 의해 준비된 수은 농도 검출센서에 포함된 6개의 수은 분석부에 각기 다른 수은 농도를 갖는 용액을 수은 분석부에 적하한 후 수은 분석부의 변색을 촬영하여 이를 도 8a에 도시하였고, 실시 예 2에 의한 수은 농도 측정방법을 이용하여 상기 6개의 수은 분석부의 비색 강도를 측정하였고 이를 도 8b에 도시하였다. 8A, the discoloration of the mercury analyzer was photographed after dripping a solution having different mercury concentrations into the six mercury analyzing units included in the mercury concentration detecting sensor prepared in Example 1, 2, the colorimetric intensity of the six mercury analyzing units was measured and shown in FIG. 8B.
도 8a를 참조하면, 12시 방향을 기준으로 시계 방향으로 다음의 농도를 갖는 용액 2㎕가 12시 방향 - 2000ng(1000ppm), 2시 방향 - 200ng(100ppm), 4시 방향 - 20ng(10ppm), 6시 방향 - 2ng(1ppm), 8시 방향 - 0.2ng(0.1ppm) 및 10시 방향 - 0ng(0ppm)에 각각 적하된 후, 후속의 TMB 발색 시약 주입으로 변색이 촬영되었고, 수은 농도가 높을수록 변색에 의한 얼룩이 짙은 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 8A, 2 占 퐇 of the solution having the following concentration in the clockwise direction with reference to the 12 o'clock direction was observed at 12 o'clock - 2000 ng (1000 ppm), 2 o'clock - 200 ng (100 ppm) , 2 ng (1 ppm) at 6 o'clock, 0.2 ng (0.1 ppm) at 8 o'clock and 0 ng (0 ppm) at 10 o'clock, respectively. Subsequently, discoloration was photographed by the injection of TMB color reagent, It was confirmed that the higher the density, the more unevenness due to discoloration occurred.
도 8b를 참조하면, 12시 방향을 기준으로 시계 방향으로 다음의 농도를 갖는 용액 2㎕가 12시 방향 - 2000ng(1000ppm), 2시 방향 - 200ng(100ppm), 4시 방향 - 20ng(10ppm), 6시 방향 - 2ng(1ppm), 8시 방향 - 0.2ng(0.1ppm) 및 10시 방향 - 0ng(0ppm)에 각각 적하된 후, 후속의 TMB 발색 시약 주입으로 인한 비색 강도가 측정되었고, 수은 농도와 비색 강도는 선형-로그 모형을 따르는 것을 확인하였다. 8b, 2 占 퐇 of the solution having the following concentration in the clockwise direction with reference to the 12 o'clock direction was observed at 12 o'clock - 2000 ng (1000 ppm), 2 o'clock - 200 ng (100 ppm), 4 o'clock - 20 ng , 2 ng (1 ppm) at 6 o'clock, 0.2 ng (0.1 ppm) at 8 o'clock and 0 ng (0 ppm) at 10 o'clock respectively and then the colorimetric intensity due to the subsequent injection of TMB color reagent was measured, Concentration and color intensity were confirmed to follow the linear logarithmic model.
실험 예 4 - 수은 농도 측정 센서에 Experimental Example 4 - Measurement of Mercury Concentration 적하된Loaded 수은 용액 방울 효과 Mercury drop effect
실시 예 1에 의해 준비된 수은 농도 검출센서에 포함된 6개의 수은 분석부에 동일한 농도를 갖는 수은 용액을 6개의 수은 분석부에 적하된 용액의 방울수를 달리하고, 수은 분석부를 촬영하여 이를 도 9a에 도시하였고, 실시 예 2에 의한 수은 농도 측정방법을 이용하여 상기 6개의 수은 분석부의 비색 강도를 측정하였고 이를 도 9b에 도시하였다. The mercury analyzing section of the mercury concentration detecting sensor prepared in Example 1 has the same concentration of mercury solution as that of the mercury analyzing section. The mercury analyzing section is photographed by varying the number of droplets of the solution dropped on the six mercury analyzing sections, , And the colorimetric intensity of the six mercury analyzing units was measured using the mercury concentration measuring method according to Example 2, which is shown in FIG. 9B.
도 9a를 참조하면, 12시 방향을 기준으로 시계 방향으로 0.4ng이 희석된 용액 2㎕를 12시 방향 -1방울, 2시 방향 - 2방울, 4시 방향 - 3방울, 6시 방향 -4방울, 8시 방향 -5방울 및 10시 방향 - 0방울 적하된 후, 후속의 TMB 발색 시약 주입으로 변색이 촬영되었고, 적하된 상기 용액의 방울 수가 높을수록 변색에 의한 얼룩이 짙은 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 9A, 2 占 퐇 of a solution in which 0.4 ng was diluted in the clockwise direction with respect to the 12 o'clock direction was diluted by 1 drop at 12 o'clock, 2 drops at 2 o'clock, 3 drops at 4 o'clock, After dropping droplets, 0 drops at 8 o'clock and 10 drops at 10 o'clock, discoloration was photographed by injection of the subsequent TMB coloring reagent, and it was confirmed that the higher the number of droplets of the solution dropped, the more discolored the discoloration was.
도 9b를 참조하면, 12시 방향을 기준으로 시계 방향으로 0.4ng이 희석된 용액 2㎕를 12시 방향 -1방울, 2시 방향 - 2방울, 4시 방향 - 3방울, 6시 방향 -4방울, 8시 방향 -5방울 및 10시 방향 - 0방울 적하된 후, 후속의 TMB 발색 시약 주입에 의한 비색 강도가 측정되었고, 방울 수가 증가할수록 비색 강도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 9B, 2 占 퐇 of a solution in which 0.4 ng was diluted clockwise with respect to the 12 o'clock direction was added to the solution at 12 o'clock direction, 1 drop at 2 o'clock, 2 drops at 2 o'clock, 3 drops at 4 o'clock, After dropping drops at 8 o'clock -5 drops and 10 o'clock - 0 drops, the colorimetric intensity of the subsequent TMB coloring reagent injection was measured. As the number of droplets increased, the colorimetric intensity was increased.
상기 적하된 용액의 방울 수와 비색 강도는 회귀 분석에 의해서 <수학식 3>의 관계식으로 도출되었고, 적하된 용액의 방울 수와 비색 강도는 선형-로그 모형을 따르는 것을 확인하였다. 하기 수학식의 상관계수는 0.986이었다.The number of droplets and the colorimetric intensity of the dripped solution were derived by the regression analysis, and it was confirmed that the number of droplets and the colorimetric intensity of the dripped solution were in accordance with the linear logarithmic model. The correlation coefficient of the following equation was 0.986.
<수학식 3>&Quot; (3) "
I = 10049 log [n Hg(ng)] + 12780I = 10049 log [ n Hg (ng)] + 12780
n: 시험 수은 용액의 침적 수(drop number)n: drop number of test mercury solution
1 방울의 용액을 적하하였을 때 측정 한계(limit of detection, LOD)는 0.06으로 추정되었고, 5 방울을 적하하였을 때는 측정 한계는 0.012 ng까지 낮아질 수 있다. 상기 측정 한계는 WHO(6 ppb) 및 EPA(2 ppb)의 최대 허용 측정 한계보다 낮은 수치이다. The limit of detection (LOD) was estimated to be 0.06 when one drop of solution was added, and the measurement limit could be lowered to 0.012 ng when 5 drops were added. The measurement limits are lower than the maximum allowable measurement limits of WHO (6 ppb) and EPA (2 ppb).
실험 예 4 - 수돗물 수은 농도 테스트Experimental Example 4 - Tap water mercury concentration test
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서의 현실적인 적용에 대한 실험을 하기 위해서 수도물에 다양한 농도(0.5, 5, 50 ppm)의 수은 용액을 희석하여 측정 농도, 회수율 및 상대표준편차를 측정하였고, 이를 표 1에 나타내었다. In order to test the practical application of the mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention, measurement concentration, recovery rate and relative standard deviation were measured by diluting various concentrations (0.5, 5, 50 ppm) of mercury solution in tap water, This is shown in Table 1.
상기 실험을 위해 수도물과 수은이 포함된 용액(10mM 아세트산염 버퍼(pH 6.0)은 1:1의 비율로 혼합되었고, 수도물은 실험실에서 수집되었다. For this experiment, a solution containing tap water and mercury (10 mM acetate buffer (pH 6.0) was mixed at a ratio of 1: 1, and tap water was collected in the laboratory.
(RSD, %)Relative standard deviation
(RSD,%)
표 1을 참조하면 수은 0.5mg/L가 희석된 시편 1에서는 0.422mg/L이 측정되었고, 회수율은 84.4%, 상대표준편차는 3.8%였다. 수은 5mg/L가 희석된 시편 2에서는 5.65mg/L이 측정되었고, 회수율은 112.9%, 상대표준편차는 8.6%였다. 수은 50mg/L가 희석된 시편 3에서는 48.22mg/L이 측정되었고, 회수율은 96.4%, 상대표준편차는 8.7%였다.As shown in Table 1, 0.422 mg / L was measured in
상기 실험을 통해 실용적인 부분에서 본 발명의 실시 예에 의한 수은 농도 검출 센서를 활용할 수 있음을 확인하였다. It has been confirmed through the above experiments that the mercury concentration detecting sensor according to the embodiment of the present invention can be utilized in a practical part.
본 발명의 실시 예를 따르는 수은 농도 측정센서는 현장에서 수은 농도를 빠르고, 간편한 방법으로 정량적으로 측정하는 것을 목적으로 하고, 소수성 패턴부를 측정 목적에 부합하게 디자인함으로써 수은 농도 측정센서의 기능 및 편의성을 향상시킬 수 있다. The mercury concentration measuring sensor according to the embodiment of the present invention is intended to quantitatively measure the mercury concentration in the field in a fast and simple manner and to design the hydrophobic pattern portion in accordance with the purpose of measurement so that the function and convenience of the mercury concentration measuring sensor Can be improved.
100: 수은 농도 측정 센서
110: 친수성부
120: 소수성 패턴부
111: 발색 시약 주입부
112: 수은 분석부
113: 발색 시약 확산부
114,115,116,117,118,119: 유체 통로100: Mercury concentration measuring sensor
110: hydrophilic part
120: hydrophobic pattern portion
111: Coloring reagent injection part
112: mercury analyzing unit
113: Color developing reagent diffusing part
114, 115, 116, 117, 118, 119:
Claims (9)
상기 친수성부에 배치된 금 나노입자; 및
상기 친수성부에 배치된 소수성 패턴부;를 포함하고,
상기 금 나노입자의 직경은 20 내지 40nm이고, 수은 이온을 선택적으로 감지하는 것을 특징으로 하는 수은 농도 측정센서.
Hydrophilic moiety;
Gold nanoparticles disposed in the hydrophilic portion; And
And a hydrophobic pattern portion disposed in the hydrophilic portion,
Wherein the gold nanoparticles have a diameter of 20 to 40 nm and selectively detect mercury ions.
상기 친수성부는 소수성 패턴부에 의해 발색 시약 주입부, 발색 시약 흡수부 및 수은 분석부로 구분되는 것을 특징으로 하는 종이 기반 수은 농도 측정센서.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophilic part is divided into a coloring reagent injecting part, a coloring reagent absorbing part and a mercury analyzing part by a hydrophobic pattern part.
상기 소수성 패턴부는 왁스 및 포토레지스트 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 종이 기반 수은 농도 측정센서.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophobic pattern portion comprises at least one of a wax and a photoresist.
상기 소수성 패턴부는 3D 프린팅 방법 및 포토리소그래피 방법 중 적어도 하나의 방법으로 배치되는 것을 특징으로 하는 종이 기반 수은 농도 측정센서.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrophobic pattern portion is disposed by at least one of a 3D printing method and a photolithography method.
상기 수은 농도 측정센서는,
친수성부;
상기 친수성부에 배치된 금 나노입자; 및
상기 친수성부에 배치된 소수성 패턴부;를 포함하고, 상기 금 나노입자의 직경은 20 내지 40nm이고, 상기 친수성부는 소수성 패턴부에 의해 발색 시약 주입부, 발색 시약 흡수부 및 수은 분석부로 구분되고,
상기 수은 농도 측정 방법은,
상기 수은 분석부에 용액을 적하하는 단계(단계 1);
발색 시약 주입부에 발색 시약을 포함하는 용액을 주입하는 단계(단계 2); 및
상기 수은 분석부의 변색을 통해 수은 농도를 측정하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
수은 농도 측정센서를 사용한 수은 농도 측정 방법.
A mercury concentration measuring method using a mercury concentration measuring sensor,
The mercury concentration measuring sensor comprises:
Hydrophilic moiety;
Gold nanoparticles disposed in the hydrophilic portion; And
Wherein the hydrophilic portion is divided into a coloring reagent injecting portion, a coloring reagent absorbing portion, and a mercury analyzing portion by a hydrophobic pattern portion,
The method for measuring mercury concentration includes:
Dropping the solution into the mercury analyzer (step 1);
Injecting a solution containing a coloring reagent into the coloring reagent injecting section (step 2); And
And measuring mercury concentration through discoloration of the mercury analyzer (step 3).
Method of measuring mercury concentration using mercury concentration measuring sensor.
상기 발색 시약은 TMB, DAB, AEC, AmplexRed 및 Luminol 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 농도 측정센서를 사용한 수은 농도 측정 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the chromogenic reagent comprises at least one of TMB, DAB, AEC, Amplex Red, and Luminol.
상기 단계 2의 발색 시약을 포함하는 용액은 과산화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 수은 농도 측정센서를 사용한 수은 농도 측정 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the solution containing the chromogenic reagent in step 2 comprises hydrogen peroxide.
상기 단계 3의 수은 농도 측정은 휴대용 기기를 통해서 측정되는 것을 특징으로 하는 수은 농도 측정센서를 사용한 수은 농도 측정 방법.
The method according to claim 6,
Wherein the mercury concentration measurement in step 3 is measured through a portable device.
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